DE3824820C2

DE3824820C2 -

Info

Publication number: DE3824820C2
Application number: DE19883824820
Authority: DE
Inventors: Gebhard 7750 Konstanz De Birkle
Original assignee: Birkle Sensor GmbH and Co
Current assignee: Birkle Sensor GmbH and Co
Priority date: 1988-07-21
Filing date: 1988-07-21
Publication date: 1992-12-17
Also published as: WO1990001141A1; DE3824820A1; EP0425544A1

Description

Technical field

Die Erfindung betrifft ein Gerät zum berührungslosen optischen Bestimmen von geometrischen Abmessungen eines Objektes nach der Schattenwurfmethode gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a device for the contactless optical determination of Geometric dimensions of an object using the shadow method according to the preamble of claim 1.

State of the art

Es sind Laser-Geräte zur Maßbestimmung der Abmessungen von Objekten be kannt, die nach dem Prinzip der Schattenwurfmethode durch das Meßobjekt arbeiten. Das zu bestimmende Maß wird von den Schattenkanten, die Hell- Dunkelübergänge bilden, abgeleitet. Derartige Geräte haben einen Scann mechanismus, der entweder ein rotierendes oder schwingendes Spiegelelement ist. Derartige Geräte erzielen gegenüber der üblichen Meßkamera wohl eine höhere Genauigkeit, sie sind jedoch aufgrund des sich bewegenden Scannmechanismusses sehr empfindlich und störanfällig.There are laser devices for measuring the dimensions of objects knows, according to the principle of the shadow casting method by the measurement object work. The dimension to be determined is determined by the shadow edges, the light Form dark transitions, derived. Such devices have a scan mechanism that is either a rotating or oscillating mirror element. Such devices achieve a higher compared to the usual measuring camera Accuracy, however, they are due to the moving scanning mechanism very sensitive and prone to failure.

Durch die DE 31 11 356 C2 ist ein Verfahren und Vorrichtung zur berührungslosen Messung einer Dimension eines Objektes bekanntgeworden, wobei ein gebündelter Lichtstrahl wiederholt in Richtung der zu messenden Dimension des Objekts abgelenkt und die Zeitpunkte der Ab- und Aufblendung des Lichtstrahls in das Objekt und beim Austritt aus dem Objekt erfaßt werden. Dabei wird für jedes Auf- und Abblenden des Lichtstrahls bezüglich einer Referenzmarke ein Meßdaturn gespeichert und nach Ablauf einer bestimmten Anzahl von Strahlendurchgängen alle gespeicherten Daten in einem Arbeits speicher unverändert umgespeichert und während eines weiteren Meßzyklusses ausgewertet. Dieses Verfahren ist softwaremäßig sehr aufwendig und deshalb ebenfalls störanfällig.DE 31 11 356 C2 describes a method and device for non-contact measurement of a dimension of an object has become known, where a focused beam of light repeats in the direction of the one to be measured Dimension of the object distracted and the times of the fade and fade of the light beam into the object and upon exiting the object. Here, for each fade in and fade out of the light beam with respect to one Reference mark saved a measurement and after the expiration of a certain Number of beam passes all saved data in one work memory re-stored unchanged and during a further measuring cycle evaluated. In terms of software, this process is very complex and therefore also prone to failure.

Durch die DE-OS 21 40 939 ist ein Verfahren zur Bestimmung des Durchmessers eines langgestreckten Körpers gemäß der Schattenwurfmethode bekannt geworden, der von einer Fertigungseinrichtung kontinuierlich abgezogen und auf eine Trommel au/gewickelt wird, wobei der Schatten in Originalgröße auf eine aus einer großen Anzahl von fotoelektrischen Bauelementen aufgebauten Matrix geworfen, die mittels eines elektronischen Zählers abgetastet werden.DE-OS 21 40 939 is a method for determining the Diameter of an elongated body according to the shadow casting method become known, which is continuously deducted from a manufacturing facility and wound on a drum, with the shadow in its original size on one composed of a large number of photoelectric components Thrown matrix, which are scanned by means of an electronic counter.

Durch die DE 24 48 651 A1 ist eine Anordnung zum berührungslosen Messen der Abmessungen eines bewegten Objektes bekanntgeworden, insbesondere des Durchmessers von Drähten, wobei der Umriß des Objektes in zwei zueinander senkrechten Dimensionen auf ein optoelektrisches Bauelement vor einer Sammel linse projiziert wird. Der Strahlengang der Strahlungsquelle wird in zwei Teil strahlen aufgeteilt, die getrennt das Objekt beleuchten und teilweise davon abge schattet werden, worauf die Teilstrahlen mittels eines zweiten optischen Systems angenähert parallel ausgerichtet werden. Diese Anordnung benötigt Prismen und Linsen, die wenigstens die doppelte Breite des größten zu messenden Durchmes sers des Objektes aufweisen, dazu in exakter Ausrichtung.DE 24 48 651 A1 provides an arrangement for non-contact measurement the dimensions of a moving object, especially the Diameter of wires, the outline of the object in two to each other vertical dimensions on an optoelectric component in front of a collector lens is projected. The beam path of the radiation source is divided into two parts beams divided, which illuminate the object separately and partially from it be shaded, whereupon the partial beams by means of a second optical system be aligned approximately parallel. This arrangement requires prisms and Lenses that are at least twice the width of the largest diameter to be measured exhibit the object, in addition in exact alignment.

Technical task

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der genannten Gattung zu schaffen, die einen verschleißfreien Ablenkmechanismus besitzt, der bei Schwenkbewegungen uni beliebige Achsen nicht beeinflußt wird und belie bige Aufstellungs- oder Einbaulagen ermöglicht, und die insbesondere in Bezug auf den zu messenden Durchmesser des Objektes minimiert ist.The invention is therefore based on the object of a device of the type mentioned To create genus that has a wear-free deflection mechanism, the with swiveling movements uni any axes is not affected and belie bige installation or installation positions, and especially in relation is minimized to the diameter of the object to be measured.

Presentation of the invention

Die Lösung der Aufgabe besteht erfindungsgemäß in den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.The object is achieved in the features of Claim 1. Further advantageous embodiments of the invention are in the Subclaims marked.

Die Erfindung besitzt den hervorstechenden Vorteil, daß diese keine um Achsen schwingende oder drehende Lichtablenkmechanismen besitzt, sondern daß der Ablenkmechanismus verschleißfrei ist. Eine Schwenkbewegung des Gerätes um beliebige Achsen bleibt ohne Einfluß auf Ablenkmechanismus, weshalb die Erfin dung beliebig aufgestellt oder eingebaut werden kann. Vorteilhaft kann die Erfin dung in Mehrfachanwendung in Meßvorrichtungen vorgesehen werden, um verschiedene Abmessungen eines Objektes beim Durchgang desselben durch die Meßvorrichtung zu erfassen. Die Erfindung kann höchst vorteilhaft als zustellbares Meßwerkzeug, z. B. mit einer Roboterbedienung, verwendet werden.The invention has the salient advantage that these are not about axes has swinging or rotating light deflection mechanisms, but that the Deflection mechanism is wear-free. A swiveling movement of the device any axis remains without influence on the deflection mechanism, which is why the inven can be installed or installed as required. The inventor can be advantageous in multiple applications in measuring devices different dimensions of an object as it passes through the Detect measuring device. The invention can be highly advantageous as deliverable measuring tool, e.g. B. can be used with a robot control.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Vorrichtung aufgrund der erfindungs gemäßen Strahlenverdoppelung im Meßbereich und Wiederzusammensetzung gegenüber dem zu messenden Objekt höchst klein ausgeführt sein kann; die Eingangsbreite bzw. Ausgangsbreite der beiden Optiken, vorzugsweise Spiegel und/oder Dachkantprismen, beträgt querschnittsmäßig nur die Hälfte bzw. nur geringfügig mehr als die Breite des Objektes oder ist gleich der Breite desselben.Another advantage is that the device due to the Invention appropriate radiation doubling in the measuring range and reassembly can be made extremely small compared to the object to be measured; the Entry width or exit width of the two optics, preferably mirrors and / or roof prisms, is only half or only in cross section slightly more than or equal to the width of the object.

In vorteilhafter Weise kann der Sensor ein CCD-Sensor (Charged-Coupled Device) sein und zwar ein Zeilen- oder Matrix-Sensor. Desweiteren besitzt die Erfindung eine hohe Meß- bzw. Abtastfrequenz, z. B. 2 kHz, die ungefähr um den Faktor 10 höher liegt, als bei bekannten Geräten, deren Abtastfrequenz typischer weise 200 Hz beträgt.The sensor can advantageously be a CCD sensor (charged-coupled Device) and be a row or matrix sensor. Furthermore, the Invention a high measuring or sampling frequency, for. B. 2 kHz, which is about the Factor 10 is higher than in known devices, whose sampling frequency is more typical is 200 Hz.

In vorteilhafter Weise bestimmt zu Beginn der Messung das Spannungs-Meß signal U1 bzw. U2 des Zeilensensors den anzuwendenden Meßbereich der Vorrichtung aufgrund der Beziehungen M=D1+H+S beziehungsweise M=D1+S (s. Anspruch 8 und Beschreibung der Fig. 4a-c).In an advantageous manner, at the start of the measurement, the voltage measurement signal U 1 or U 2 of the line sensor determines the measuring range of the device to be used on the basis of the relationships M = D1 + H + S or M = D1 + S (see claim 8 and description of Fig. 4a-c).

In vorteilhafter Weise ist mit der Erfindung eine Austastbewegung quer zur Meßlinie möglich, z. B. eine Schwenkbewegung um ± 5 Winkelgrade.Advantageously, the blanking movement is transverse to the invention Measuring line possible, e.g. B. a swivel movement by ± 5 degrees.

Des weiteren besitzt die Erfindung in vorteilhafter Weise zwei Klassen der Meßge nauigkeit, je nachdem ob der Zeilensensor, über einen in Zeile schwingenden Umlenkspiegel ausgesteuert wird oder nicht. Dadurch wird eine Grob- und eine Feinmaßbestimmung möglich, z. B. mit den Meßgenauigkeiten A = ±0,1 mm; B = ±0,02 mm. Die Ausführung nur mit feststehendem Zeilensensor ohne schwingenden Umlenkspiegel ermöglicht eine einfache und robuste Ausfüh rungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, deren Genauigkeit für viele Anwendungszwecke ausreichend ist.Furthermore, the invention advantageously has two classes of measurement accuracy, depending on whether the line sensor, over a vibrating in line Deflecting mirror is controlled or not. This makes a rough and a Fine measurement possible, e.g. B. with the measuring accuracy A = ± 0.1 mm; B = ± 0.02 mm. The version only with a fixed line sensor without oscillating deflection mirror enables simple and robust execution tion form of the device according to the invention, its accuracy for many Application purposes is sufficient.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die Breite des einfallenden Lichtbandes durch die Optik um das Doppelte auseinanderzuziehen. Bei spezifischen Anforderun gen an den Meßbereich kann auch ein Auseinanderziehen des Lichtbandes um das Dreifache oder ein anderes Mehrfache innerhalb der Optik sinnvoll sein. Das Gerät ist unmittelbar nach dem Einschalten meßbereit, wobei ein intermittieren der Betrieb des Gerätes möglich ist.It has proven advantageous to determine the width of the incident light band the optics to pull the double apart. For specific requirements to the measuring range can also pull the light strip apart Triple or another multiple within the optics may be useful. The The device is ready to measure immediately after switching on, with an intermittent the device can be operated.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen, in denen zeigen:Brief description of the drawings, in which:

Fig. 1 eine schematisierte Ansicht eines Gerätes in Draufsicht auf die Ebene, in der sich die Lichtquelle, die Spiegelprismen, das Meßfenster und die Empfangseinheit befinden, die hier aus einem Schwingelement, daran befestigter Umlenkspiegel und Zeilensensor besteht, Fig. 1 is a schematic view of an apparatus in top view of the plane in which the light source, the mirror prisms, the measuring window and the receiving unit are located, which here consists of a vibrating member, attached thereto deflection mirror and line sensor,

Fig. 2 eine um 90° gedrehte Seitenansicht der Fig. 1, um die Schmalheit des Gerätes zu demonstrieren, Fig. 2 shows a 90 ° rotated side view of the Fig. 1, to demonstrate the narrowness of the device,

Fig. 3 eine Ansicht eines Gerätes mit zusätzlicher feststehender Abbildungs optik und CCD-Zeilensensor oder -Matrix als Kamera zur Angabe der Position des Objektes oder auch zur Messung um 90° versetzt oder zur Mittenbestimmung des Objektes Fig. 3 is a view of a device with additional fixed imaging optics and CCD line sensor or matrix as a camera to indicate the position of the object or to measure by 90 ° or to determine the center of the object

Fig. 4a-c die Signalverläufe bei stehendem Umlenkspiegel oder nur mit fest stehendem Zeilensensor und zwar Fig. 4a ohne Objekt im Meßfenster Fig. 4b mit Objekt im Meßfenster, wobei das Objektmaß größer als (H+S) M=D1+H+S ist Fig. 4c mit Objekt im Meßfenster, wobei das Objektmaß kleiner als (H+S) M=D1+S ist Fig. 4a-c the waveforms with the deflecting mirror stationary or only with a fixed line sensor, namely Fig. 4a without an object in the measuring window Fig. 4b with an object in the measuring window, the object size being greater than (H + S) M = D1 + H + S Fig. 4c object in the measurement window, said Objektmaß is less than (H + S) M = D1 + S

Fig. 5a-c die Signalverläufe bei Verschiebung der H/D-Übergänge auf einer Diodenzeile mit 12 Elementen bei bewegtem Umlenkspiegel und einem Objektmaß größer (H+S) M = D1 +H+S, Fig. 5a nämlich die H/D-Übergänge mit dem Abstand M1, die ein Maß M2 signalisieren
Fig. 5b den Versatz der H/D-Übergänge um die Strecke X1, wobei der Be lichtungsübergang von Element 229 auf 228 die Markierung für die Korrekturgröße X1 zur verfeinerten Maßbestimmung signalisiert,
Fig. 5c nach weiterem Versatz um die Strecke X2 bei Signalisierung des Be lichtungsüberganges von Element 224 auf 223 die Korrekturgröße X2 Fig. 5a-c, the waveforms at shift of H / D transitions on a diode array with 12 elements with a moving deflecting mirror and a Objektmaß greater (H + S) M = D1 + H + S, Fig. 5a namely, the H / D Transitions with the distance M 1 , which signal a measure M 2
Fig. 5b shows the displacement of the H / D-transitions by the distance X 1, wherein the Be clearing transition from member 229 to 228, the mark for the correction value X 1 for the refined determination of measure signals,
Fig. 5c after further offset by a distance X 2 wherein signaling the clearing Be transition from member 224 to 223, the correction amount X 2

Fig. 6a-c die analogen Signalverläufe gemäß den Fig. 5a-c mit einem Objektmaß Heiner (H+S) M = D1+S und Fig. 5a-c 6a-c, the analog waveforms of FIGS. With a Objektmaß Heiner (H + S) M = D1 + S and

Fig. 7 "Y" das Meßsignal eines CCD-Sensors mit den lichtempfindlichen Elementen P (O) bis P (N) in der Zeile und Z eine mögliche Kompa ratorschwelle in Analogie zur Lichtintensität über der Lichtbandbreite. Fig. 7 "Y" the measurement signal of a CCD sensor with the light-sensitive elements P (O) to P (N) in the line and Z a possible Kompa ratorscheshold in analogy to the light intensity over the light bandwidth.

Preferred embodiment of the invention

Gemäß den Fig. 1 und 2 besitzt die Erfindung eine Laser-Lichtquelle die z. B. aus einer Laser-Diode 3 und einer Aufweitungsoptik 5 besteht, die das Laserlicht zu einem Lichtband der Breite H paralleler Strahlen aufweitet. Das Lichtband fällt auf ein erstes Spiegelprisma 8 mit mindestens der Eintrittsbreite H, welches das Lichtband umzulenken und in Richtung seiner Breite beispielsweise zu verdoppeln imstande ist. Hierfür besteht das Spiegelprisma 8 aus einem Dachkantprisma 9, dessen lichtempfangende Eintrittsfläche gleich oder breiter als die Breite H des Lichtbandes ist. Das Dachkantprisma 9 besitzt eine ebene Dachschräge 10, die als halbdurchlässige Spiegelfläche mit 50% Reflexion ausgebildet ist. An die Dachschräge 10 schließt sich in Richtung der optischen Eintrittsachse des Prismas 9 ein weiteres Dachkantprisma 11 an, dessen Dachschräge 12 als volle, ebene Spiegelfläche gestaltet ist und dessen optische Eintrittsachse mit der des Dachkantprismas 9 zusammenfällt.Referring to FIGS. 1 and 2, the invention has a laser light source, the z. B. consists of a laser diode 3 and an expansion optics 5 , which expands the laser light into a light band of the width H of parallel beams. The light band falls on a first mirror prism 8 with at least the entrance width H, which is able to deflect the light band and to double it in the direction of its width, for example. For this purpose, the mirror prism 8 consists of a roof prism 9 , the light-receiving entrance surface is the same or wider than the width H of the light strip. The roof prism 9 has a flat roof slope 10 , which is designed as a semi-transparent mirror surface with 50% reflection. Another roof prism 11 adjoins the roof slope 10 in the direction of the optical entry axis of the prism 9 , the roof slope 12 of which is designed as a full, flat mirror surface and the optical entry axis coincides with that of the roof prism 9 .

Die optischen Verhältnisse sind so beschaffen, daß die Breite H des ursprüng lichen Lichtbandes von beiden Dachkantprismen 9, 11 in einer Linie neben einanderliegend zur Breite 2H verdoppelt wird, wobei zwischen beiden eine Lücke S entsteht, so daß die optischen Austrittsachsen der Dachkantprismen 9, 11 parallel zueinander verlaufen.The optical conditions are such that the width H of the original light band from two roof prisms 9 , 11 is doubled in a line next to one another to the width 2 H, a gap S being formed between the two so that the optical exit axes of the roof prisms 9 , 11 run parallel to each other.

In Richtung der Normalen der nebeneinanderliegenden Austrittsflächen der Dachkantprismen 9, 11 ist ein Objekt 7 angeordnet. Das kleinste bestimmbare Maß d des Objektes ist bedingt durch den Abstand der inneren Begrenzungs strahlen s1/s2 bzw. die Lücke S, das größte durch den Abstand der äußeren Begrenzungsstrahlen a1/a2.An object 7 is arranged in the direction of the normal to the adjacent exit surfaces of the roof prisms 9 , 11 . The smallest determinable dimension d of the object is caused by the distance between the inner boundary rays s 1 / s 2 or the gap S, the largest by the distance of the outer boundary rays a 1 / a 2 .

Den Austrittsflächen des Spiegelprismas 8 planparallel gegenüberstehend ist ein Spiegelprisma 8′ angeordnet, welches spiegelsymmetrisch zum Spiegelprisma 8 aufgebaut ist und deshalb die Lichtbänder 2H umlenkt und wieder zum Lichtband der Breite H′ zusammensetzt, wobei vorzugsweise H = H′ ist. Das Spiegelprisma 8′ besteht aus den beiden Dachkantprismen 9′ und 11′, wobei das Dachkantprisma 11′ eine Dachschräge mit einer Spiegelfläche mit 100% Reflexion, das Dachkantprisma 9′ eine Dachschräge mit einer Spiegelfläche mit 50% Reflexion besitzen, gleichzeitig setzt das Dachkantprisma 9′ die Lichtbänder 2H wieder zum Lichtband H′ zusammen. Das Objekt 7 zwischen den beiden Spiegelprismen 8, 8′ erzeugt somit in Richtung der optischen Eintrittsflächen des Spiegelprismas 8′ eine Abschattung mit den Begrenzungsstrahlen i1 und i2. An das Spiegelprisma 8′ schließt sich in Richtung seiner optischen Austrittsachse eine opto-elektrische Empfangseinheit 13 an. Opposite the exit surfaces of the mirror prism 8 , a mirror prism 8 'is arranged, which is constructed mirror-symmetrically to the mirror prism 8 and therefore deflects the light strips 2 H and reassembles the light strip of width H', preferably H = H '. The mirror prism 8 'consists of the two roof prisms 9 ' and 11 ', the roof prism 11 ' having a sloping roof with a mirror surface with 100% reflection, the roof prism 9 'having a roof slope with a mirror surface with 50% reflection, at the same time the roof prism 9 'The light strips 2 H back together to form the light strip H'. The object 7 between the two mirror prisms 8 , 8 'thus generates shading with the boundary rays i 1 and i 2 in the direction of the optical entrance surfaces of the mirror prism 8 '. At the mirror prism 8 'follows an opto-electrical receiving unit 13 in the direction of its optical exit axis.

Die opto-elektrische Empfangseinheit 13 besteht z. B. aus einem Piezoschwinger 14, an dessen oszillierendes Teil ein Umlenkspiegel 15 mit schräg stehender Spiegelfläche angeordnet ist, der das Licht auf einen feststehenden Sensor 16 umlenkt, der vorzugsweise eine CCD-Zeilensensor mit lichtempfindlichen Elementen in einer Zeile 17 ist. Die Zeile 17 besitzt mindestens eine Länge H′′, die vorzugsweise gleich der Breite H des Lichtbandes bzw. der Austrittsbreite H′ des Spiegelprismas 8′ ist; H=H′=H′′. Die beschriebene Anordnung ist vorzugsweise in einem Gehäuse 1 unterge bracht, welches länglichflach gestaltet ist und an einem Ende zwei sich gegen überstehende Schenkel 5, 5′ besitzt, die zwischen sich ein nach außen hin offenes Meßfenster 6 einschließen, das mittig sich in Richtung der Gerätelängsachse 18 erstreckt, die gleichzeitig Symmetrieachse des Gerätes ist. In jedem Schenkel 5, 5′ ist ein Spiegelprisma 8, 8′ dergestalt angeordnet, daß die optischen Austritts- bzw. Eintrittsflächen sich planparallel gegenüberstehen, zwischen denen das zu mes sende Objekt 7 plaziert werden kann. Die Laser-Lichtquelle 2 und die Empfangs einheit 13 sind zwecks kleiner Bauweise parallel zueinander jeweils vor bzw. hinter dem betreffenden Spiegelprisma 8, 8′ angeordnet.The opto-electrical receiving unit 13 consists, for. B. from a piezoelectric oscillator 14 , on the oscillating part of which a deflection mirror 15 is arranged with an inclined mirror surface, which deflects the light onto a fixed sensor 16 , which is preferably a CCD line sensor with photosensitive elements in a line 17 . The line 17 has at least one length H '', which is preferably equal to the width H of the light band or the exit width H 'of the mirror prism 8 '; H = H ′ = H ′ ′. The arrangement described is preferably placed in a housing 1 , which is elongated flat and has at one end two opposing legs 5 , 5 ', which include between them an outwardly open measuring window 6 , which is centered in the direction of the longitudinal axis of the device 18 extends, which is also the axis of symmetry of the device. In each leg 5 , 5 ', a mirror prism 8 , 8 ' is arranged such that the optical exit or entry surfaces face each other plane-parallel, between which the object 7 to be measured can be placed. The laser light source 2 and the receiving unit 13 are arranged parallel to each other in front of or behind the relevant mirror prism 8 , 8 'for the purpose of small design.

Fig. 3 zeigt ein Gerät, welches zusätzlich eine feststehende Empfangseinheit 19 besitzt, bestehend aus einer Abbildungsoptik 20 und einem Zeilensensor 21, z. B. ein CCD-Zeilensensor oder CCD-Matrix als Kamera zur Angabe der Position des Objektes oder auch zur Messung um 90° versetzt oder zur Mitten- oder Lagen bestimmung des Objektes. Fig. 3 shows a device which additionally has a fixed receiving unit 19 , consisting of an imaging optics 20 and a line sensor 21 , z. B. a CCD line sensor or CCD matrix as a camera to indicate the position of the object or to measure by 90 ° or to determine the center or position of the object.

Anhand der Fig. 4a-c erfolgt nunmehr eine Betrachtung der Gerätefunktion bei stehendem Umlenkspiegel 15, was mit dem Vorhandensein nur des Zeilensensors 16 gleichzusetzen ist. Referring to Figs. 4a-c, a consideration will now be given of the device function at a standstill deflection mirror 15, which is to be equated with the presence only of the line sensor 16.

Die Spiegelprismen 8, 8′ leiten das Lichtband H der Lichtquelle 2 verbreitert durch das Meßfenster 6. Befindet sich in diesem kein Objekt, so werden 50% der Ausgangs-Lichtleistung auf den Zeilensensor 16 geleitet. Vereinfachenderweise sei zunächst ein konstanter Intensitätsverlauf über der Lichtbandbreite H angenom men. Die für die Messung wirksame Lichtbandbreite H entspricht der wirksamen Eintrittsbreite des Eintrittsfensters des Spiegelprismas 8. Der Sensor 16 liefert ein Signal, wie es in Fig. 4a dargestellt ist. Die Reihe der lichtbeaufschlagten Diodenelemente PO bis PN liefert eine konstante Meßspannung U2.The mirror prisms 8 , 8 'conduct the light band H of the light source 2 widened through the measuring window 6th If there is no object in this, 50% of the output light power is directed to the line sensor 16 . To simplify matters, a constant intensity curve over the light bandwidth H is first assumed. The light bandwidth H effective for the measurement corresponds to the effective entrance width of the entrance window of the mirror prism 8 . The sensor 16 delivers a signal as shown in FIG. 4a. The row of light-emitting diode elements PO to PN provides a constant measuring voltage U 2 .

Ein Objekt 7 im Meßfenster 6 bewirkt eine Abschattung mit der Licht bündelgrenze i1 und i2, die ebenfalls auf den Sensor 16 geleitet werden. Dabei reduziert das Spiegelprisma 8′ den Abstand der Grenzen um das Maß H. Der Meßspannung U1 entsprechen ca. 25% der Ausgangslichtintensität. Der Meßspannungsverlauf entspricht dann Fig. 4b. Objektmaße größer (H+S) sowie Kleiner (2H+S) verursachen diesen Verlauf des Meßsignales. Das Objektmaß errechnet sich nach M = D1+H+S.An object 7 in the measuring window 6 causes shadowing with the light beam limit i 1 and i 2 , which are also directed to the sensor 16 . The mirror prism 8 'reduces the distance between the limits by the measure H. The measuring voltage U 1 corresponds to approximately 25% of the output light intensity. The measurement voltage curve then corresponds to Fig. 4b. Object dimensions larger (H + S) and smaller ( 2 H + S) cause this course of the measurement signal. The object dimension is calculated according to M = D1 + H + S.

Objektmaße größer S sowie kleiner (H+S) verursachen Meßsignale nach Fig. 4c. Die Überschneidung der sich überlagernden, teilweise abgeschatteten Teile des Lichtbandes a1-a2 in Fig. 1 bewirkt die Meßspannung U2 (Lichtintensität ca. 50% der Ausgangsintensität). In der Verarbeitung der Meßsignale steuern U1 bzw. U2 die Erkennung des anzuwendenden Meßbereiches.Object dimensions larger than S and smaller (H + S) cause measurement signals according to Fig. 4c. The overlap of the overlapping, partially shaded parts of the light band a 1- a 2 in Fig. 1 causes the measuring voltage U 2 (light intensity about 50% of the output intensity). In processing the measurement signals, U 1 and U 2 control the detection of the measurement range to be used.

Die Meßauflösung der Erfindung ist auf der oben beschriebenen Funktionsbasis durch die geometrische Auflösung der Diodenzeile begrenzt. Deshalb werden zur feineren Maßbestimmung die Hell-Dunkel-Übergänge mit dem oszillierenden Spiegel 15 auf der Zeile 17 des Zeilensensors 16 mittels des Piezoschwingers 14 als Längentransistor verschoben. Die logische Verschaltung von CCD-Betrieb des Zeilensensors 16 und der Spiegelverstellung des Umlenkspiegels 15 ermöglichen die hochauflösende Maßgenauigkeit der Erfindung. The measurement resolution of the invention is limited on the functional basis described above by the geometric resolution of the diode row. Therefore, the light-dark transitions with the oscillating mirror 15 on the line 17 of the line sensor 16 are shifted by means of the piezo oscillator 14 as a length transistor for finer measurement. The logical interconnection of the CCD operation of the line sensor 16 and the mirror adjustment of the deflecting mirror 15 enable the high-resolution dimensional accuracy of the invention.

Anhand der Fig. 5a-c erfolgt die Betrachtung der Gerätefunktion für Objekt maße größer (H+S) bei oszillierendem Umlenkspiegel, wobei die Verschiebung der H/D-Übergänge auf der Diodenzeile 17 mit zwölf Elementen 221-2212 dargestellt ist. Auf der Achse A-B erfolgen von A nach B drei Belichtungszustände des Zeilensensors 16 in den Positionen Fig. 5a, Fig. 5b und Fig. 5c.Referring to Figs. 5a-c, the viewing of the device function for object occurs mass greater (H + S) for oscillating a reflecting mirror, wherein the shift of H / D transitions on the diode array 17 is shown with twelve elements 221-2212. On the axis AB, three exposure states of the line sensor 16 take place from A to B in the positions FIG. 5a, FIG. 5b and FIG. 5c.

Fig. 5a Die H/D-Übergänge mit dem Abstand M1 treffen in die Elemente 224 bzw. 229 und signalisieren im abgeleiteten Binärsignal ein Maß M2 in Analogie zu deren realen Abständen der Elemente 224 und 229. FIG. 5a, the H / D make transitions to the distance M 1 to the elements 224 and 229, and signaling in secondary binary signal is a measure M 2 in analogy to the actual distances of the elements 224 and 229.

Fig. 5b Nach Versatz der H/D-Übergänge um die Strecke X1 in Richtung des Pfeils ist Element 229 voll ausgeleuchtet. Der Belichtungsübergang von Element 229 auf 228 signalisiert die Markierung für die Korrekturgröße X1 zur verfeinerten Maßbestimmung. Fig. 5b After offset of the H / D transitions by the distance X 1 in the direction of the arrow, element 229 is fully illuminated. The exposure transition from element 229 to 228 signals the marking for the correction variable X 1 for refined measurement determination.

Fig. 5c nach weiterem Versatz um die Strecke X2 signalisiert der Belichtungs übergang von Element 224 auf 223 die Korrekturgröße x2. Fig. 5c after further offset by a distance X 2 the exposure signaled the transition from member 224 to 223, the correction amount x 2.

Die verfeinerte Maßbestimmung berechnet sich aus M=M2+X1+(T-X2). Es sind verschiedene Varianten der beschriebenen Maßverfeinerung möglich, jedoch ent halten sämtliche die Ermittlung von 2 Korrekturgrößen.The refined measurement is calculated from M = M2 + X1 + (T-X2). There are different variants of the described refinement possible, but ent all keep the determination of 2 correction values.

In den Fig. 6a-c ist analog die Gerätefunktion für Objektmaße Kleiner (H+S) dargestellt.In FIGS. 6a-c show the functioning of the equipment for object dimensions Kleiner (H + S) is prepared analogously.

Gegenüber den Signalmodellen der Fig. 4, 5 und 6 zeigt Fig. 7 das technisch realisierbare Meßsignal Y in U(V) des CCD-Sensors, aufgetragen über die licht empfindlichen Elemente PO bis PN. Die dargestellte Komparatorschwelle Z ent spricht einem Lichtintensitätsverlauf über dem Maß H des Lichtbandes. Mit der Komparatorfunktion erfolgt einfacherweise eine Binarisierung des Primärsignals.Compared to the signal models of FIGS . 4, 5 and 6, FIG. 7 shows the technically realizable measurement signal Y in U (V) of the CCD sensor, plotted via the light-sensitive elements PO to PN. The comparator threshold Z shown corresponds to a light intensity curve above the dimension H of the light band. The comparator function simply binarizes the primary signal.

In einer einfachen Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung besitzt diese keinen schwingenden Umlenkspiegel, sondern das austretende Lichtband des zweiten Spiegelprismas wird direkt einem elektronischen Zeilensensor, zum Beispiel ein CCD-Sensor, aufgegeben. Eine derartige Vorrichtung ist mechanisch und softwaremäßig vereinfacht. Die Meßgenauigkeit dieser Vorrichtung ist für viele Anwendungsbereiche voll ausreichend.In a simple embodiment of the device according to the invention, it has no swinging deflecting mirror, but the emerging light band of the second mirror prism is directly an electronic line sensor for Example a CCD sensor, abandoned. Such a device is mechanical and simplified in software. The measuring accuracy of this device is for many areas of application fully sufficient.

Bei spezifischen Anforderungen an den Meßbereich kann es sinnvoll sein, das einfallende Lichtband innerhalb der ersten Optik auf das Dreifache oder Viel fache seiner ursprünglichen Breite auseinanderzuziehen und innerhalb der zweiten Optik wieder auf die ursprüngliche Breite zusammenzusetzen.In the case of specific requirements for the measuring range, it can make sense to Incident light band within the first optic three times or more fold apart its original width and within the second Reassemble the optics to the original width.

Industrial applicability

Die Erfindung stellt einen Laser-Meßscanner zur Verfügung, der insbesondere eine hohe Adaptionsflexibilität in der Kombination des Gerätes mit dem Ferti gungsprozeß besitzt, beispielsweise als zustellbares Meßwerkzeug in einer Robo terstraße der Automobilindustrie, z. B. zum Messen des Durchmessers von Wellen, oder in der Werkzeugindustrie.The invention provides a laser measuring scanner, in particular a high degree of adaptation flexibility when combining the device with the Ferti tion process, for example as an adjustable measuring tool in a robot terstrasse of the automotive industry, e.g. B. to measure the diameter of Waves, or in the tool industry.

Liste der Bezugszeichen:List of reference numerals:

1 Gehäuse
2 Laser-Lichtquelle
3 Laserdiode
4 Aufweiterungsoptik
5, 5′ Schenkel
6 Meßraum oder Meßfenster
7 Objekt
8, 8′ Spiegelprismen
9, 9′ Dachkantprismen
10, 10′ halbdurchlässige Spiegelflächen
11, 11′ Dachkantenprismen
12, 12′ volle Spiegelflächen
13 Empfangseinheit
14 Piezoschwinger
15 Umlenkspiegel
16 Zeilensensor
17 Zeile des Zeilensensors
18 Längsachse
19 Empfangseinheit
20 Fokusierungsoptik
21 Zeilensensor
221-2212 Element des Zeilensensors
a1, a2 äußere Begrenzungsstrahlen
i1, i2 Begrenzungsstrahlen der Objekt-Abschattung
s1, s2 innere Begrenzungsstrahlen
S Lücke
d Durchmesser des Objektes
H Lichtband-Breite oder Eintrittsbreite des Lichtbandes
H′ Austrittsbreite des Spiegelprismas 8′
M1, M2 Abstände
X1, X2 Strecken
P1 Oszillationsrichtung des Piezoschwingers
H′′ Zeilenlänge des Zeilensensors 1 housing
2 laser light source
3 laser diode
4 expansion optics
5, 5 ′ leg
6 measuring room or measuring window
7 object
8, 8 ′ mirror prisms
9, 9 ′ roof prisms
10, 10 ' semi-transparent mirror surfaces
11, 11 ' roof edge prisms
12, 12 ′ full mirror surfaces
13 receiving unit
14 piezo oscillators
15 deflecting mirror
16 line sensor
17 line of the line sensor
18 longitudinal axis
19 receiving unit
20 focusing optics
21 line sensor
221-2212 Element of the line sensor
a 1 , a 2 outer boundary rays
i 1 , i 2 limiting rays of object shadowing
s 1 , s 2 inner boundary rays
S gap
d diameter of the object
H Strip width or entrance width of the strip
H ′ exit width of the mirror prism 8 ′
M 1 , M 2 distances
X 1 , X 2 routes
P 1 direction of oscillation of the piezo oscillator
H ′ ′ line length of the line sensor

Claims

1. Device for the contactless optical determination of geometric dimensions of an object ( 7 ) according to the shadow casting method, which is located in the beam path of a light band of parallel beams, with a laser light source ( 2 ), the beams of which are parallel to one another across a width (H) are drawn with two mutually opposite, mirror-symmetrical optics ( 8 , 8 '), which define a measuring space ( 6 ) between them for introducing the object ( 7 ), the first optics ( 8 ) adjacent to the light source ( 2 ) Deflects the light band and throws it onto the second optics ( 8 '), which also deflects it and passes it on to an optoelectric sensor ( 16 ) for generating an electrical measurement signal, on which the shadow edges of the object ( 7 ) strike and a certain electrical voltage of the sensor ( 16 ), which represents a measure of the dimension (d) of the object ( 7 ), characterized in that the first optical system ( 8 ) is the primary light band to a multiple of the original width (H) to adjacent light strips (a 1 , a 2 , i 1 , i 2 , s 1 , s 2 ), pulling apart, which arise from the primary light strip by partial reflection, so that the sum of the Widths of the light bands (a 1 -s 1 ; a 2 -s 2 ) in the measuring space ( 6 ) is larger than the input width (H) of the light band and the first optics ( 8 ) the light bands (a 1 -s 1 ; a 2 -s 2 ) in this way onto the opposite second optics ( 8 ') throws, these strips of light (a 1 -s 1 ; a 2 -s 2 ) reassembled under coaxial reflection to the original width (H) and passed to the sensor ( 16 ).

2. Apparatus according to claim, characterized in that the optics are a first and a second mirror prism ( 8 , 8 ') and each mirror prism from a first roof prism ( 9 , 9 '), the roof chamfer ( 10 , 10 ') as a partially transparent mirror surface is formed, and there is a second roof prism ( 11 , 11 '), the roof chamfer of which is a full mirror surface ( 12 , 12 ') which is the light band of width (H) which is let through by the partially transparent mirror surface ( 10 ) of the first roof prism ( 9 ) receives and deflects or deflects the light band (a 2 -s 2 ) coming from the opposite roof prism ( 11 ) and the two mirror surfaces ( 10; 12 ) of the roof prisms ( 9 , 11 ) of the first mirror prism ( 8 ) two light bands ( a 1 -s 1 ; a 2 -s 2 ) juxtaposed on the opposite roof prisms ( 9 ', 11 ') of the second mirror prism ( 8 ') throw the light strips (a 1 -s 1 ; a 2 -s 2 ) again to an L Assemble the non-band of the original entrance width (H).

3. Device according to one of claims 1 or 2, characterized in that the sensor is a line or matrix sensor, preferably a CCD sensor, with a plurality of opto-electrically sensitive elements ( 22 ).

4. Apparatus according to claim 3, characterized in that the second mirror prism ( 8 ') guides the light band on a deflecting mirror ( 15 ) which is translationally movable in the direction of the line ( 17 ) of the sensor ( 16 ).

5. Apparatus according to claim 4, characterized in that the deflecting mirror ( 15 ) is attached to an oscillating element ( 14 ), the oscillation amplitude in the direction of the line ( 17 ) of the line sensor ( 16 ) little least the width of an opto-electrical element ( 221 - 2212 ) corresponds to line ( 17 ).

6. Apparatus according to claim 5, characterized in that the oscillating element is a piezo oscillator ( 14 ).

7. Apparatus according to claim 1, characterized in that the optics ( 8 , 8 ') are arranged in a housing ( 1 ) which has two opposing legs ( 5 , 5 ') which limit the measuring space ( 6 ) between them and in each leg ( 5 , 5 ') one of the optics ( 8 , 8 ') is located and light source ( 2 ) and receiving unit ( 13 ) within the housing ( 1 ) directed parallel to each other behind the optics ( 8 , 8 ') are, the measuring space between the legs ( 5 , 5 ') is an outwardly open measuring window ( 6 ) which extends centrally in the direction of the longitudinal axis ( 18 ) of the device.

8. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that from the size of an object ( 7 ) specific course of the voltage signal (U 1 , U 2 ) of the line sensor ( 16 ), which is based on the intensity distribution of each of the light bands ( a 1 -s 1 ; a 2 -s 2 ) results from coaxial superposition, the required measuring range (M = D1 + H + S; M = D1 + S) is derived.

9. Apparatus according to claim 1, characterized in that the first optic, which is a mirror prism, is the width (H) of the incident Able to pull apart three times or more is.